第一性原理在材料科學中有什麼用?一看便知!

2021-02-13 材料人

如果有人問「什麼是第一性原理」，你會怎麼回答？似乎字面上看起來好像是一個很有玄機，很有哲理的名詞。

那麼，在物理、材料領域，它是什麼意思？第一性原理，是以薛丁格方程為基礎，預測材料性質的一系列理論方法。與之對應的方法是材料學中常用的各種經驗公式。相比於經驗公式存在著可靠性和普適的問題，只要給出材料的微觀結構，應用第一性原理理論上就能精確地算出各種性質。

那麼，應用第一性原理在材料學上有什麼用？這裡介紹一二。

一、晶體結構預測

晶體結構是人們深入理解材料的最基本性質的基礎，尤其對揭示材料微觀結構與彈性、電子、聲子和熱力學等本徵性質關係具有非常重要作用。儘管，目前實驗上可通過X-光衍射技術等方法確定晶體微觀結構，但實驗測量往往受樣品純度、雜質汙染、衍射信號強弱以及實驗條件不足等限制，特別在超高溫與超高壓等極端條件下，通過實驗手段測定材料晶體結構面臨極大挑戰。

因此，不依賴實驗數據，而通過理論計算預測特定條件下的晶體結構，對於發現新材料和探索材料物理化學性質，具有十分重要科學意義與工程應用價值。基於第一性原理的密度泛函理論，在材料晶體結構預測及性質計算方面正在發揮越來越大作用。

二、材料的本徵性質計算

幾何性質

結構參數（鍵長、鍵角、晶格參數、原子位置），穩定構型等

電子性質

電子態密度、能帶結構、電荷密度分布、電子局域函數ELF等

力學性質、狀態方程

彈性常數、彈性矩陣、體彈性模量

光學性質

介電常數、吸收光譜、折射率等

表面性質

表面重構、缺陷、表面能量、STM模擬、表面吸附能等

從頭分子動力學模擬

擴散係數、粘性係數、熔化曲線等

磁學性質

共線和非共線性磁性、自旋軌道耦合

晶格動力學性質

聲子譜、基於簡諧近似熱力學性質等

計算材料的激發態

GW準粒子修正

材料超導電性計算

超導轉變溫度、譜函數

當然，第一性原理在材料科學中的應用還有很多，在此不一一描述了。

重要的事來了！如果您對應用第一性原理來計算材料科學相關結果有興趣，但苦於沒有掌握或者沒有時間，可以通過以下聯繫方式聯繫我們，剩下的事情交給材料人就可以啦！

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